（电工理论与新技术专业论文）门座式起重机变幅机构的变频调速系统研究.pdf

a b s t r a c t t h e p o r t a lc r a n ei st h em a i nh o i s t i n ge q u i p m e n tf o rl o a d i n ga n du n l o a d i n gi nt h e p o r t t h em u l t i p u r p o s ep o r t a lc r a n ew h i c hc a l lb eu s e dt oc a r r yo u tt h el o a d i n ga n d u n l o a d i n gt a s kb yc o n t a i n e rh a sb e g a nt ob ep r o d u c e di nc h i n a , i no r d e rt om e e tt h e r e q u i r e m e n to f t h ed e v e l o p m e n to fc o n t a i n e r t h ec r a n ef i tf o rm a n i f o l do p e r m i o n c o n d i t i o ni se q u i p p e dw i t ht h es p e c i a lc o n t a i n e rs p r e a d e ri na d d i t i o nt oo r i g i n a lg r a b b u c k e ta n dh o o k t h ed e v e l o p m e n to fc r a n ei sc l o s e l yl i n k e dt oc o n t r o lt e c h n o l o g y w i t h t h ec o m i n gf o n ho ff r e q u e n c yc o n v e r s i o ns p e e dr e g u l a t i n g ，p l c ，c o m p u t e rc o n t r o la n d c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，t h el e v e lo fc o n t r o lo fp o ac r a n ei si m p r o v e g r e a t l y i nt h i sp a p e r , t h ec o n t r o la n d m a n a g e m e n to ft h ec r a n ea r ev a l u e d ，p l ca st h ec o r e ， o nt h eb a s i so fp l ca n df r e q u e n c yc h a n g ea s s e m b l e d ，s t a r t sf r o mt h ef r e q u e n c yc o n t r o l s y s t e mo ft h ew h o l em a c h i n e ，t h ep r o c e s so f t h et u r b i n ec o n t r o l ，p r o t e c t i o np r i n c i p l e so f t h el u f f i n gm e c h a n i s m ，o n eo ff o u rc o n t r o lp r o c e s s ，a r ef o c u s e do n ，i n t r o d u c e di nd e t a i l i t si m p l e m e n t a t i o nm e t h o d s ，a c h i e v e dt h ee f f e c t i v e n e s so fc o n t r o l ，t h es t a b i l i t yo ft h e s y s t e mw o r k ，r e l i a b i l i t yo fp r o t e c t i o ns y s t e m t h ed e v e l o p m e n to ft h ef r e q u e n c ys y s t e m w i t hc r a n ei sr e v i e w e d ；p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ( p l c ) i se s t a b l i s h e da st h e c o n t r o lc e n t e r , t h ec o n t r o ls y s t e mo fc r a n ei s d e s i g n e d ，i n c l u d i n gt h es p e e dc o n t r o l s y s t e m ，p l cp r o g r a m m i n ga n dm o n i t o r i n gs y s t e m ，p a y sm o r ea t t e n t i o nt or e s e a r c h i n g t h eb o o mp a r ta u t o m a t i cc o n t r o l ，i sf i n i s h e do nb a s i so ft h ee l e c t r i cc o n t r o ld e s i g no f m q 4 0 3 5m u l t i - p u r p o s ep o r t a lc r a n ei nd o n g n a ns h i p y a r d ，a n da c c u m u l a t e ss o m eg o o d e x p e r i e n c e sf o rt h ed e v e l o p m e n to f s i m i l a ra u t o m a t i cc o n t r o lo fm e c h a n i s ms y s t e m a so n eo ft h et h r e es u p p o r t so fi n d u s t r y ( p l c ，r o b o t ，c a d c a m ) ，p l cw h i c hi s b a s e do nt h em i c r op r o c e s sa n ds y n t h e s i z e st h ec o m p u t e rt e c h n o l o g y , a u t o m a t i ca n d c o m m u n i c a t i o ni sag r o w i n gu n i v e r s a li n d u s t r ya u t oc o n t r o ld e v i c e i th a st h ea d v a n t a g e s o fl i t t l ev o l u m e ，p o w e r f u lf u n c t i o n ，f a c i l i t ya n dm a i n t e n a n c ec o n v e n i e n c es p e c i a l l yi t s a b i l i t y t ob ea d a p t i v et od i c k yi n d u s t r ye n v i r o n m e n ta n dh i g hr e l i a b i l i t yi sh i g h l y a p p r a i s e db yt h eu s e r s s oi t i sm o r ea n dm o r ew i s e l yu s e di nt h ef i e l d ss u c h 勰 i i m e t a l l u r g y , s o u r c eo fe n e r g y , t r a f f i c ，c h e m i c a li n d u s t r ya n de l e c t r i cp o w e re t c ，i nt h e s p e c i a lf i e l do fc r a n e ，t h ee x e r t i o no ff f e q u e n c yc o n v e r s i o ns p e e dr e g u l a t i n gi m p r o v e st h e m o n o l i t h i cp e r f o r m a n c eo fc r a n e i t sg o o dr e l i a b i l i t y , h i g hq u a l i t ys p e e dr e g u l a t i n gt r a i t a n dd i s t i n c te n e r g ys a v i n ga d v a n t a g em a k et h ec r a n ee q u i p p e dw i t hf r e q u e n c yc o n v e r t e r h a v et h es a t i s f y i n gm o v i n ge f f e c t k e y w o r d s ：c r a n e p l c v a r i a b l e f r e q u e n c ys p e e dc o n t r o l l i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉 理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示 了谢意。 沙修女堪 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存 或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论 文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：番迅 导师( 签名) ：期汐，识j 埸 武g i # 学位论z 第1 章绪论 1 1 门座式起重机概述 门座式起重机是广泛用于与港口装卸作业、船厂安装作业及其它生产实际中的 一种起重机械，其产品园其使用地点不同以及用户对产品的性能要求不同而具有多 样化的结构型式。门座式起重机如图卜l 所示。 根据结构型式的不同门座式起重机可分为不同的类型，如： 按门架结构型式可分为全门座式起重机和半门座式起重机。 按起重臂结构型式，可分四连杆组合臂架式起重机和单臂架式门座式起重机。 按上部旋转部分相对下部运行部分旋转的支撑装置的结构型式，可分为转柱式 门座式起重机、定柱式门座式起重机、转盘式门座式起重机和大轴承式门座式起重 机。 根据用途和使用场合的不同又可分为港口用门座式起重机、造船用门座式起 重机和建筑用门座式起重机等等“。 图卜1 门座式起重机 武汉理工大学硕十学位论文 1 2 设计目的和意义 门座式起重机是港口起重机械的主力军，经过近几十年的发展，虽然我国在设 计、制造工艺、设备使用维修和管理方面不断的改造推动了技术的持续进步。但是 在实际生活中我们仍然面临着许多有待解决的问题。当前随着工农业生产自动化发 展水平越来越高，人们对门机的要求也越来越高。 由于传统门机的电控系统一般都是采用转子回路串电阻的有级调速，这样就会 造成机械冲击频繁，振动剧烈，这些问题不仅使得效率大大的降低而已严重的缩短 了机械使用的寿命，所以随着微型计算机控制技术和高性能大容量的电力电子器件 的迅速发展，变频调速系统已进入实际应用阶段并得到了大众的认可。 起重机驱动方案有许多种，现在一般采用的主要有以下几种：直接起动电动机、 改变电动机的极对数调速、转子串电阻调速、涡流制动器调速、可控硅串级调速、 直流调速。 前四种由于调速范围小，只能在额定速度以下进行调速并且无法高速运行，属 于有级调速。有级调速普遍低速性能差，并且长期进行低速运行会引起电阻器、制 动器严重的发热同时它的起动电流很大，对电网及起重机各个机构有很大的冲击 力，这样使得其功率因素很低。可控硅串级调速价格较低，并且减少了对起动和制 动的冲击，同时也相应的提高了功率因数，实现了额定速度以下的无极调速，但是 目前基本都还停留在模拟阶段。直流调速系统顾名思义采用的是直流电动机，即使 它拥有很好的调速性能和起制动性能，也有很好的保护功能及系统监控功能，但直 流电动机制造工艺复杂，使用维护要求很高，故障发牛率也比较高净4 1 。 随着电力电子技术、自动化控制技术的迅速发展，电力传动领域正发牛着由交 流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟技术的革命。交流调速系统已 经被国内外公认为是最有发展前途的调速方式，它以其优异的调速和起动、制动性 能，高效率、高功率因数和节电效果当之无愧的成为了当今节能、改善工艺流程以 及提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。 基于以上原因，本课题结合福建东南船厂的1 f i 0 4 0 3 5 多用途门机变频控制系统 项目，将可编程控制器( p l c ) 应用于门机电力拖动控制系统。它不仅可以完成门 机变幅、起升、旋转、行走等机构的动作程序控制和电气元件故障检测与显示等功 2 武汉理1 = 大学硕七学位论文 能；而且还可以完成一些复杂动作的过程控制，本次设计的目的就是实现门机四个 机构采用变频调速控制并用的p l c 控制及组态监控。 1 3 变幅机构调速现状 在门座式起重机中，从取物装置中心线到起重机旋转中心线之间的距离，称为 起重机的幅度，而用来改变幅度的机构，称为起重机的变幅机构。为使载重在变幅 过程中沿水平线或接近水平线移动，大多采用绳索补偿法( 单臂架式) 或组合臂架 补偿法 在四连杆结构的起重机中，变幅机构是最为核心的部分。起作用为改变起重机 的幅度。门座式其中的变幅工序都可以在带载条件下进行，而且变幅过程是每一个 工作周期中的主要工序之一，因此它的变幅机构是工作性变幅机构。工作性变幅机 构可使物品绕起重机的旋转轴线作径向水平移动，以扩大起重机的服务面和提高工 作机动性，其主要特征是变幅频繁，变幅速度对装卸生产率有直接影响，变幅阻力 较大。在装卸类型起重机中，一般应采用较高的变幅速度以提高装卸生产率。 现代的门座式起重机都采用摆动架式变幅，其幅度的改变时靠动臂在垂直平面 内绕其铰轴摆动来达到的。现代变幅机构调速的控制方式大致分为以下几种： ( 1 ) 线绕试电机加液力耦合器控制，虽然有液力耦合传动，没有机械的硬性连接， 但是在启动过程中需要司机电动启动，以实现启动的平稳，有明显的机械冲击。停 止时惯性停车，需要司机采取打反车的形式加以控制，此时司机的工作强度加大， 对塔身结构的冲击也很大。其优点是结构简单，投资少； ( 2 ) ( o m d ) 滑差电机控制，没有机械硬性连接，起止动运行平稳，结构复杂，采用 涡流加减速与制动，滑差电机发热较严重，需要定期更换滑差电机的轴承，此种机 构的抗风能力较差； ( 3 ) ( r c v ) 力矩电机调压加涡流控制，与减速箱是硬性连接，启动、停止时冲击 较大，容易损坏减速箱，低速运行时电机发热严重，需要定期对电机轴承进行保养； ( 4 ) 线绕试电机加涡流控制，与减速箱是硬性连接，起止动冲击很大，继刚发生 减速箱损坏情况，对钢结构的影响也是很大； ( 5 ) 变频器控制，与减速硬性连接，但是其完整的控制性能，缓慢的加、减速性 武汉理f ：大学硕士学位论文 能，可以实现无冲击加、减速，实现塔式起重机回转机构平稳运行，电机实际运行 发热较低，可以做到3 0 0 0 5 0 0 0 小时保养一次电机。变频器本身运行稳定可靠， 故障率很低。变频器可以实现：电源缺相、电机缺相、电机过载、电机接地、电机 过热、电机过载以及电机运行的计时等功能，能为门座式起重机的维修保养提供准 确的参考。缺点，投资较大，调试维修需要专业人员7 l 。 4 武汉理 大学硕士学位论文 第2 章门机技术参数及变幅机构 技术参数是表征起重机工作性能的主要技术指标，也是进行起重机械选择或设 计的主要技术依据。幅度、起重量、起升高度、跨度、轨距、基距、轮压、工作速 度、工作级别、生产率等是门座式起重机的主要技术的参数。 参数的设定首先要满足用户的生产需要，然后根据国家有关标准，同时也要考 虑生产实际需要进行必要的调查研究，最后分析比较后加以选定。 下面以m 9 4 0 3 5 f 1 座起重机为代表详细说明之。 2 1m q 4 0 3 5 f 3 座起重机主要技术参数 ( 1 ) 工作幅度：最大幅度3 5 m 最小幅度l l m 臂架类型起重机回转中心线至取物装置中心线的水平距离称为幅度。对非回转 类型起重机，通常将臂架下铰点至取物装置中心水平距离也称为幅度。单位为m ， 臂架类型起重机的作业范围由最大幅度和最小幅度来决定。 幅度根据所要求的工作范围来确定。例：港口门座起重机的最大幅度与所装卸 的船型及船舶尺度有关，最小幅度则往往受起重机结构的限制，在可能条件下，应 力求减小，以扩大起重机的工作范围。 ( 2 ) 起重能力：4 0 t 起重量是指起重机安全工作能容许的最大起吊货物的质量。单位为吨。它表征 一台起重机吊载能力的大小。起重机在一定幅度条件正常使用情况下容许起升最大 重物的质量称为额定起重量。 对于采用吊钩、吊环作为基本取物装置的起重机，额定起重量不包括吊钩、吊 环装置的重量，它指的仅是容许起升的最大物品质量：对于采用抓斗、电磁吸盘、 集装箱吊具等之类作为更换或辅助取物装置的起重机，其额定起重量包括容许起升 的最大物品质量和可更换或辅助取物装置质量两部分。 武汉理 ：大学硕士学位论文 其最大值称为起重机的最大起重量，是指臂架位于最小幅度时主钩的最大起重 能力 8 o ( 3 ) 起升高度：轨面以上( 吊钩) 2 8 m 轨面以下( 吊钩) 1 5 m ( 4 ) 工作速度： 变幅速度 3 0 m m i n 起升速度起升采用二套独立驱动装置 3 8 m m i n ( 2 5 t 抓斗) 3 0 m m i n ( 4 0 t 吊钩) 旋转速度l r m i n 行走速度 2 6 m m i n ( 5 ) 生产率： 生产率是表明起重机械装卸工作能力的综合性指标，单位为t h ，生产率可以 根据起重量、机构工作速度、工作行程等基本参数确定。 a = n * o p 式中： q p 每次吊运物品的平均起重量； n 每小时工作循环次数。 当使用抓斗时，则生产率可按下式计算： a = n ：i c v 木t 水1 王， 式中：v 一抓斗有效容积( m 3 ) ； t 散粒物品的容积密度( t m 3 ) ； l l ，充填系数。 起重机每小时工作循环次数为 n = 3 6 0 t 式中：t 一个工作循环的运转时间( s ) 生产率是一个综合性技术指标，它除了与起重量、工作速度、工作行程有关外， 还与机构工作协调情况，被装卸物料的类别，司机操作熟练程度有关 8 一钊。 2 2 门座起重机的变幅机构概述 ( 1 ) 变幅机构的简介： 6 武汉理工大学硕十学位论文 门机的幅度是指门座起重机中从取物装置中心线n f - 机旋转中心线的距离。用 来改变幅度的机构称为变幅机构。 门机的变幅工序可以在带负载条件下进行，且变幅过程是每一个工作周期中的 主要工序之一，因此它的变幅机构是工作性变幅。工作性变幅机构可以使物品绕起 重机的旋转轴线作径性水平移动，以扩大起重机服务面和提高工作机动性。其主要 特性是变幅频率，变幅速度对装卸生产率有直接影响，变幅阻力大( 带负载变幅) 。 在装卸类型的门座起重机中，一般采用较高的变幅速度以提高生产率。 现代门座起重机都采用摆动臂架式变幅，在摆动臂架式变幅机构中，幅度的改 变是靠臂在垂直平面内绕其铰轴摆动来达到的。 在现代生产中大多要求实工作性带负载变幅，为了尽可能降低变幅机构的驱动 功率和提高机构的操作性能，目前普遍采用下述两个措施： 1 ) 载重水平位移：为使物品在变幅过程中沿水平线或接近水平线的轨迹运动， 采用物品升降补偿装置。 2 ) 臂架自重平衡：为使臂架装置的总重心的高度在变幅过程中不变或变化较 小，采用臂架平衡系统“一“。 ( 2 ) 变幅机构的驱动系统： 变幅机构的驱动方式有多种，下面逐个说明。 1 ) 绳索滑轮组驱动： 变幅钢丝绳通过起重机和人字之间的复滑轮组后被引到变幅卷筒上。变幅机构 一般放在机器房内，其布置方式与起升机构相同。 这种驱动方式结构简单，重量较轻，布置方便，但钢丝绳易磨损，在小幅度时， 由于向后的外载作用臂架有后倾的可能，需要在变幅极限位置设置限位缓冲器。 2 ) 扇型齿轮驱动： 扇型齿轮固定在变幅平衡梁上或起重臂架上。因此系统制造方便，维修简单， 但齿轮的冲击和磨损较严重。 3 ) 曲柄连杆驱动： 此系统可无需加设i 陌度指示器和限位装置而能使变幅机构安全操作。但需要的 传动比较大，故体积重量较大，很少应用。 4 ) 齿条驱动： 武汉理l ：犬学硕士学位论文 该系统机构布置紧凑，而且整个机构可在车间组装，缩短总装时间。其驱动效 率高，制造简单，安装方便，但传动间隙大会引起冲击。它的驱动方式主要有螺杆 驱动和液压驱动。螺杆驱动体积小、重量轻、运行稳定，但效率低、易磨损。液压 驱动是用液压油缸带动起重机臂架或平衡梁来完成变幅工作。不需中间传动件，不 受传动比限制，所以结构紧凑、布置方便、重量最轻。同时液压驱动易实现运动， 运动惯性最小，工作平衡，操作灵活“。 本设计所涉及的项目选用的是齿条驱动。 ( 3 ) 变幅机构的保护装置 1 ) 机械或电气方面的故障能使电动机处于不正常的状态，影响电动机的使用 寿命甚至在短时间内烧毁电机，所以对电动机采取有效的保护措施是一个重要的问 题。 变幅机构常见保护措施主要有：长期过载和过热保护、缺相保护、过电流保护、 短路保护、零电压保护、幅度限位保护、联锁保护等。 2 ) 变幅系统采用具有自重平衡系统的四连杆组合臂架，臂架系统采用起升滑 轮组补偿置，使载荷可以水平位移。变幅机构的驱动由电动机、减速器、摇架( 齿 条支持座) 、齿条( 与主臂架相连接) 组成，另有一套小拉杆、平衡梁及平衡配重与 臂架系统运动时取得平衡。 变幅机构设有液压推杆制动器，它的j 丰要作用是减少制动时的惯性力、同时电 机的再生制动能量处理采用的是能耗电阻制动方式并利用液压推杆制动器，这样以 确保变幅时整个机械的安全可靠和平稳”。 本机采用可靠的保护和信号装置，当电气设备和线路发生故障时，保护装置能 有效地作用于发生故障的设备和线路，在遇到司机误操作时，自动装置拒动，并发 出声光报警信号。信号装置设在司机室内便于司机和操作人员观察的地方，以便于 及时了解机械运行状态和排除故障。电气保护装置的设置：配电系统有失压、过压、 短路、过流、缺相等保护装置。低压备用电源亦设如上保护。在司机室的联动台、 电气房电器控制柜、门架陆侧锚定装置处，均设置紧停按钮，紧停回路采用直接线 路连接，不经过p l c 控制。当紧停按钮按下时，能立即停止整机的动作，并将信号 记录进p l c 。电缆卷筒装置上设有电缆长度和拉力保护，本机采用高压磁滞式电缆 卷筒，电缆卷筒。电缆卷筒安装尽量靠旋转中心，防止碰撞。此外，还有防止可能 8 武汉理i ：大学硕士学位论文 触及电气设备带电的裸露部分的防护罩u “。 ( 4 ) 变幅机构的机构性能 变幅机构( 亦称俯仰机构) 在门座式起重机中根据工作性质不同分为工作性和 非工作性( 调整性、不带载运行) 一般情况下均为工作性机构。变幅机构的驱动由 电动机、减速器、摇架( 齿条支持座) 、齿条( 与主臂架相连接) 组成。变幅机构 中设有最大最小幅度限位装置，并设有最大最小幅度前减速限位保护装置，以确保 工作中设备与人身安全。 变i 晤机构安装有上、下终端限位开关。该机构安装有角度编码器，不仅精确指 示其起落角度，还具有增幅和减幅减速区的转换功能。变幅机构的过电流、过载、 短路、断相等保护由变频器自动完成。在变幅机构采用齿轮齿条传动，动作平稳， 结构紧凑、简单维修方便。变幅机构的布置考虑安装、调整、维修方便。变幅机构 采用交流变频调速。 变幅机构按性能要求不同，按在变幅过程中臂架重心是否升降，还可进一步分 为平衡性变幅机构和非平衡性变幅机构。 1 ) 非平衡变幅。通过摆动臂架完成水平运移物品时，臂架和物品的重。动都要 升高或降低，需要耗费很大的驱动功率；而在增大幅度时，则引起较大的惯性载荷， 影响使用性能，因此，非平衡变幅大多在非工作性变幅时应用。 2 ) 平衡变幅。工作性变幅采用各种方法，使起重机在变幅过程中物品的重心 沿水平线或近似水平线移动，而臂架系统自重由活动平衡重所平衡。这样节约驱动 功率，并使操作平稳可靠”。 2 3 本章小结 本章首先介绍了门机的主要技术参数，然后介绍了门机的变幅机构及其驱动方 式和所需的保护装置，最后给出了门机变幅机构的结构组成和特性。 9 武汉理 ：大学硕士学位论文 第3 章变频调速系统的设计 整个系统有计算机、交换机、显示器、可编程控制器( p l c ) 、变频器、电动机和现场仪 表组成。上位机的主要功能有显示画面，控制现场设备、信号报警、历史数据查询、事件与 报警记录和打印报表。p l c 采集的所有信号通过通讯上传到上位机，并在上位机上显示。上位 机的操作指令下传给p l c ，p l c 做出相应的动作控制变频器运行。 m ) m j 图3 一l 变频调速系统原理图 变频调速系统原理图如图3 - 1 ，本系统中，对电机采用变频器来进行频率的调节控制。采 用p l c 输出的模拟量信号作为变频器的控制端输入信号。变频调速器对驱动电机的控制具有 完善的自我保护和电机保护功能。它通过接受p l c 的信号控制电机转速大小，并且向p l c 反 馈自身的工作状态信号，当发生故障时，能够向p l c 及上位机发生报警信号。由于变频调速 是通过改变电动机定子供电频率以改变同步转速来实现的，故在调速过程中从高速到低速都 可以保持有限的转差功率，因此具有高效率、宽范围、高精度的调速性能。 3 1 电气传动方案的选择 门座起重机传动系统一般采用交流传动系统。有特殊要求和仅有直流电源的情况下，可 采用直流传动系统。 交流传动方案一般有转子串电阻调速、能耗制动调速、涡流制动器调速、定子调压调速、 l o 武汉理工大学硕士学位论文 串级调速、变极调速、变频调速等。其性能比较参见表3 - i ， 在交流调速范围内，起重机的调速主要有转子回路串联电阻，通过转子接触器调节转子 电阻的调速系统，该系统对起重机冲击大，调整范围小，在提升机构使用时负载的变化直接 影响速度，不能用于调速高的场合。但对维护人员要求低，系统成本低，在港口大量使用。 表3 1 起重机常用交流调速方案性能比较 适驱 调速低速运行时用动 调速方案特点 范围的效率负机 载 构 1 线路简单、成本低、易维修位变 转子串电2 调速性能差，无低速下降能幅 l ：3 低 阻调速3 不能长期低速运行。 反还 抗行 l 。同上位变 能耗制动 i ：3 低 2 重载下降能获得低速，上升无低速 能 幅 调速 i ：5 3 直流电源因电机而异，无法标准 反】荟 抗行 1 同上 位变 涡流制动2 速度有低速，但不能长时间低速运行能幅 l ：1 0低 调速 反】 抗行 i 线路复杂、成本高 位变 定子调压2 若采用闭环控制能得到稳定低速且调速范 能 幅 1 ：1 0低 调速 围较大，能无级调速反廷 抗行 1 速度可在整个调速范围内连续控制 位变 2 性能最优，但需专用变频装置，成本高 能幅 变频调速 1 ：1 0 0高 反还 抗行 定子调压调速系统，采用转子回路切电阻及定子回路调电压相结合的方式，可以有较宽 的调速范围，正反向由可控硅控制，反应灵活，但是由于该系统采用模拟线路控制，用分立 武汉理工大学硕七学位论文 元件组合而成，硬件的可靠性差，而且需要测速发电机和转子电阻，系统复杂。在低速时能 量消耗到电阻上，有一定的局限性。 采用变频调速后，系统控制精度提高很大，在带脉冲编码器反馈时，可以达到1 ：1 0 0 0 ， 在开环方式也能达到1 ：1 0 0 因此，在控制精度在1 ：1 0 0 之内的中等精度调速系统，可以不 带编码器反馈简化系统。 同样从表3 1 中也可以看出，交流变频调速和其它起重机调速方案相比，具有明显的优 点。首先，起重机整体性能会有很大的提高，具有速度可在整个调速范围内连续控制，开、 闭环特性好，调速比可达1 ：1 0 0 以上，调速精度1 ，调速平稳，负载突然变化时有极好的 动态响应，可以长时间低速运行，使其具有极高的定位精度，节能效果显著，简化了电控系 统，省去了电动机转子侧的大功率电阻、切换交流接触器和电动机正反转交流接触器，再加 之系统传动所用变频电机属鼠笼式异步电动机类、成本相对低廉，维修少，因此变频调速是 起重机最理想的交流调速方案，具有同直流传动一样的调速性能，性能价格比最高u 。 3 2 变频系统的原理 异步电动机的转速公式： 刀：华( 1 一j ) p 、 ( 3 1 ) f ：电动机定子的频率；p ：电动机定子的绕阻的磁极对数； s ：转差率。n ：电动机的转速。 由上式可以看出改变电动机电源的频率就会引起电动机参数的变化，电动机参数的变化 同样会影响电动机的运行性能，因此想获得最佳的调速特性仅仅依靠改变供电电源的频率是 不够得。而变频调速就是通过改变电动机的定子电压和定子频率来调节电动机的转速，从而 获得所需要的调速特性。 调速：根据生产过程中在负载没有改变的情况下需要人为地强制性的改变系统的转速。 直流电动机具有两套绕组：励磁绕组和电枢绕组。两套绕组在机械上是独立的、在空间 上互差9 0 度；两套绕组是由不同电源供电，在控制上也是分开的。在励磁电流恒定时，直流 电动机所产生的电磁转矩和电枢电流成正比，控制直流电动机的电枢电流可以控制电动机的 转矩，因而直流电动机具有良好的控制性能。当进行闭环控制时，可以很方便地构成速度、 电流双闭环控制，系统具有良好的静、动态性能。 异步电动机虽然有两套多相绕组，定予绕组和转子绕组，但只有定子绕组和外部电源相 接，在定子绕组中流过定予电流。转子绕组虽然流过电流，但它是通过电磁感应在转子绕组 中产生的感应电流，并将从定子得到的电磁能量转变为机械能供给负载。因此异步电动机的 1 2 武汉理t ：大学硕士学位论文 定子电流包括两个分量：励磁电流分量和转子电流分量。由于励磁电流是异步电动机定子电流 的一部分，很难像直流电动机那样仅仅控制异步电动机的定子电流达到控制电机转矩的目的。 事实上，异步电动机所产生的电磁转矩和定予电流并不成比例，定子电流大并不能保证电机 的转矩大。 但是，根据异步电动机的动态数学方程式，它具有和直流电动机的动态方程式相同的形 式，因而如果选择合适的控制策略，异步电动机应能得到和直流电动机相类似的控制性能， 这就是矢量控制“。 从产生电动机的旋转磁场看，三相绕组中通以3 相对称电流可以产生圆形旋转磁场，2 相绕组中通以互差9 0 0 的电流亦可以产生圆形旋转磁场。因此从磁场的作用看，3 相绕组所产 生的磁场可以用2 相绕组所产生的磁场来等效，这是分析电动机运行原理的基本方法。矢量 控制中的3 2 、2 3 变换的计算亦是一种等效计算。将3 相电动机等效为2 相电动机后，电动 机的定子绕组只有两个，而且在空间上互差9 0 0 。同样，可以用2 相绕组等效多相转予绕组。 异步电动机的旋转磁场在空间上互差2 3 电角度的三相定子绕组u l u 2 、v l v 2 、 w i w 2 中通入在时间上互差2 丌3 相位角的三相交变电流屯00 。后，它们合成的磁场是 一个旋转磁场，如图3 2 所示。 “”秘矿。 图3 - 2 两极电机旋转磁场示意图 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 电气设备的负荷计算： 1 ) 供电方式： 本机采用电源3 8 0 v ，5 0 h z 三相四线制，电缆经电缆卷筒，进入总开关箱a o ，再经中心受 电器滑环进入总电源柜a l ，向机上各机构供电。在起重机下部设维修小电源箱、照明配电箱 各一个，供起重机底部维修照明用电。 总电源断路器设置在电气室电源柜中，其额定容量根据装机总容量选配，具有分励脱扣 功能。整机工作电源由总电源断路器出线端引出，经总接触器向机上各机构的主回路供电。 门腿、联动台和电源柜门上设有紧停按钮，紧急情况下用来分断总电源断路器，切断整机工 作电源。总电源部分设置了功率表、 电压表和电压表换相开关，检测电源各相电压是否平衡 或缺相。 控制及信号电源为a c 2 2 0 v ，设置了a c 3 8 0 v a c 2 2 0 v 控制变压器，为紧停回路，各机构控 制回路，p l c 电源提供电源。 2 ) 负荷计算 起升用抓斗时最大起升重量为2 5 吨，速度为3 8m m i n ，故所需功率 p = m g v = 2 5 0 0 0 9 8 3 8 6 0 = 1 5 5k w 选取起升电机为1 6 0 k w 。 整机装机容量： 起升电机 变幅电机 旋转电机 行走电机 照明电源 控制电源 维修电源 空调、风机 整机装机容量 工作电流 考虑最不利工况：起升、变幅、旋转三机构同时运行加以计算： p = p h + p l + p s + p f( 4 6 ) = 1 6 0 2 + 4 5 + 3 7 2 + 3 0 = 4 6 9 k w 若c o s 伊= o 8 ，则s = p o 8 = 4 6 9 0 8 = 5 8 6 k v a 1 4 2 8 w w 肼w d 肼w w 娜涨肼肼涨脚w聃孤 6 5 7 0 k o k 4 1 4 3 7 3 3 1 5 5 武汉理i ：入学硕士学位论文 i - - s ( 3 u c d ) ：5 8 6 ( 3x 0 3 8 ) = 8 9 0 a 其中p h 一起升机构电机功率 p l 一变幅机构电机功率 p s 一旋转机构电机功率 p f 辅助机构功率 ( 2 ) 控制系统中的元件选型： 在门式起重机中，因为升、将速时的电流较大，应求出对应有最大起动转矩和升降速转 矩的电动机电流。 通常，门式起重机用变频器容量按以下步骤求出“： 1 ) 恒定负载上升时的电动机容量( k w ) 蒜 (3-2) 式中u 额定重量( k g ) ，具体计算时，应考虑须有1 2 5 的过载能力； v 额定线速度( m r a in ) ： 7 7 机械效率。 2 ) 变频器容量变频器的额定电流可由式求出： 变频器额定电流 电动机额定电流华 如 式中 毛所需最大转矩、电动机额定转矩 k 1 5 ( 变频器的过载能力) 1 1 ( 余量) 变幅机构为一台电动机y z p 2 8 0 s 一8 ，4 5 k w ，i n = 9 3 a 。 3 ) 变幅机构断路器选型 选择施耐德断路器n s c l 6 0 s 3 1 6 0 + n s c 2 5 0 a u x o ，额定电流2 0 0 a 。 4 ) 变频器选型 依据变幅电机功率，选用一台安川公司c i m r - g 7 a 4 0 9 0 变频器，开环矢量控制。变幅变频 器参数设置有额定电压，额定电流，最大频率、最小频率、基频，加减速时间以及过载、短 路、接地等电机的保护设置。 制动单元和制动电阻选择 据安川c i m r - g 7 a 4 0 9 0 ，9 0 k w 变频器对应制动单元c d b r - 4 0 4 5 b ，2 台。制动电阻型号为 i o k w1 3 6 q 两个。 此系统具有足够的调速硬度和良好的低频转矩特性，即使在o h z 电机也能以1 5 0 额定转 矩输出。增幅和减幅、左行和右行均为无级调速，变幅机构和行走机构均通过操纵室联动台 武汉理 ：大学硕士学位论文 的主令控制器进行操作控制。采用液压制动器控制，实现零速抱闸，可以全速受控，减少抱阐 闭合时的振动及抱闸磨损，使停车更平稳。 变幅机构的电气保护有短路及过电流保护，过载保护及零位保护；当变频器出现故障信 号时，必须通过联动台上的故障复位按钮进行复位。 变幅机构设有增幅( 减幅) 减速限位，增幅( 减幅) 限位，增幅( 减幅) 超限位及齿条 增幅( 减幅) 限位。行走机构有终点防撞限位等“。 3 4 控制系统的设计 异步电动机矢量控制变频调速系统的开发，使异步电动机的调速可获得和直流电动机相 媲美的高精度和快速响应性能。异步电动机的机械结构又比直流电动机简单、坚固，且转子 无碳刷滑环等电器接触点，故应用前景十分广阔。先将其优点和应用范围综述如下： ( 1 ) 矢量控制系统的优点 ： 1 ) 动态的高速响应直流电动机受整流的限制，过高的等是不容许的。异步电动机只受 d t 逆变器容量的限制，强迫电流的倍数可取得很高，速度响应快，一般可达到毫秒级，在快速 性方面己超过直流电动机。 2 ) 低频转速增大一般通用变频器( v v v f 控制) 在低频时转矩常低于额定转矩，在5 h z 以下不能带满负载工作。而矢量控制变频器由于能保持磁通恒定，转矩与呈线性关系，故在 极低频时也能使电动机的转矩高于额定转矩 3 ) 控制的灵活性直流电动机常根据不同的负载对象，选用他励、串励、复励等形式， 它们各有不同的控制特点和机械特性。而在异步电动机矢量控制系统中，可使同一台电动机 输出不同的特性。在系统内用不同的函数发生器作为磁通调节器，即可获得他励或串励直流 电动机的机械特性“。 ( 2 ) 矢量控制系统的应用范围 1 ) 要求高速响应的工作机械如工业机器人驱动系统在速度响应上至少需要1 0 0 r a d s ， 矢量控制驱动系统能达到的速度响应最高值可达1 0 0 0 m d s ，保证机器人驱动系统快速、精确 地工作。 2 ) 适应恶劣的工作环境如造纸机、印染机均要求在高湿、高温并有腐蚀性气体的环境 中工作，异步电动机比直流电动机更为适应。 3 ) 高精度的电力拖动如钢板和线材卷取机属于恒张力控制，对电力拖动的动、静态精 确度有很高的要求，能做到高速( 弱磁) 、低速( 点动) 、停车时强迫制动。异步电动机应用 矢量控制后，静差度 0 0 2 ，有可能完全能代替v m 直流调速系统。 4 ) 四象限运转如高速电梯的拖动，过去均用直流拖动，现在也逐步用异步电动机矢量 1 6 控制变频调速系统代替2 4 嗡3 。 武汉理工大学硕士学位论文 图3 3 控制系统线路图 1 7 髻辩裹。 弩荔霉芯镰 醇掣嗷豁 “誊趱n 学嚣艺j辫 蜷蕾攀榭 暴嚣 鬻毳t 的。露2簧 彩移骥职 i 螽2 鐾一 的。一墓nn心乱簧 辱衅啦妻f 茎0 9 i 辩。一鼍日nq乱磐 ；神墩i f 武4 i + 论z 门机的整个系统主要是分为起升机构、旋转机构、行走机构和变幅机构的控制，控制系 统的线路图如图3 - 3 所示。 3 4 1 变幅机构系统图的设计 变幅机构变频调速系统如下图3 - 4 所示整个电路由p l c 控制其中，开关量输 信号 包括操作信号、限位信号、变频器故障信号等。开关量输出信号包括接触器、指示灯及输出 到变频器的开关量控制信号等。 由按钮开关s b i 和s b 2 通过接触器k m i 控制变频器通电和断电：电动机的正、反转及停 止由p l c 控制变频器的输入端予s l 和s 2 来实现；制动电磁铁y b i 由接触器k 船控制，l o m b 的动作则根据在变幅过程中的需要来控制；s a 是吊钩的调速操作手柄，正、反两个方向有转 速档，由p l c 控制变频器的输入端子s 7 、s 8 、s 9 和s 1 0 来实现：正转时接近开关s q f i 动作， 反转时接近开关s q r i 动作：限位开关s q f 2 用于输入吊钩变幅时的行程极限，以完成变幅机 构安全保护；按钮开关s b 3 和s b 4 用于电动机正、反两个方向的点动控制：p g 是速度反馈用 的编码器；v b 为制动单元，r b 为制动电阻。 ”z 邛”。 。t 飞 料 瞪溅 m 堡茎雪邗 图3 - 4 变幅机构变频调运系统图 疆 圆三 通过p l c 和p r o f i b u s 总线( 自动方式) 或通过操作台上的手操器上位机给定变频器的运 行信号，而通过操作台上的“手动自动”选择开关来决定其控制方式。当选择开关打到自动 位置上时，p l c 的控制指令不起作用。当“手动自动”选择开关打到自动位置上时，一切的 控制都在上位机上操作，此时操作台的手操器不起作用，然后通过p l c 向变频嚣发出工作信 号，从而来控制整个变频调建系统。 甄一嬲蕊西勰 武汉理 ：大学硕士学位论文 变频器配置p r o f i b u s d p 总线适配器，用于连接p l c 与现场总线通讯，这样上位机的组 态画面上可以通过p l c 显示变频器内的运行参数( 变频器启动停止信号、电机转速、运行电 流、运行电压、输出频率、输出功率等) 。通过这些画面，操作人员能够很清楚地观察变频器 的运行情况，并可直接、方便的在上位机上控制变频器的输出，从而达到控制电机的转速”。 本设计中变频器的输入端直接连5 0 h z 三相3 8 0 v 交流电源。输出端u 、v 、w 则直接接到 交流电机上驱动电动机。变频器的输出也为三相交流电，但是在变频器内部经过了交一直变换， 之后经过逆变器，利用设定的参数进行了逆变，使得输出为相应设定频率的交流电。 根据变频调速原理，在变频器的控制输入回路中接入频率设定电路，有p l c 输出的模拟 量，即电压或电流信号来控制变频器的输出频率。 3 4 2 变幅机构变频器接线图的设计 变频器是变频调速系统的核心装置，它主要分